JP2011105892A - タール吸着性物質の有効利用を可能とした循環流動層ガス化反応炉 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化したタール吸着性物質を簡単に廃棄することなく、簡易な手法により流動層ガス化炉内で有効利用することが可能な循環流動層ガス化反応炉を提供する。
【解決手段】流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉において、前記流動層ガス化炉の前段に、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構造の熱分解炉を設け、下段の燃料熱分解炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させるようにするとともに、前記タール吸収炉の側面及び前記燃料熱分解炉の側面を連結する連絡路を設けることにより、劣化した流動媒体を燃料熱分解炉から取り出す際に、上段のタール吸収炉内のタールが吸着した流動媒体を下段の燃料熱分解炉へ供給できるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、循環流動層ガス化炉を用いて燃料より可燃ガスを取り出すためのガス化炉に関するものであって、特に、タール吸着性物質の有効利用を可能とした循環流動層ガス化反応炉に関する。

従来から、炭化水素資源の、石炭、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの固体燃料又は液体燃料を利用し、生成したガスを、可燃ガス及び熱源として利用することにより、有機資源の有効活用を図る技術が開発されている。
生成したガスを可燃ガスとして取り出すためには、生成ガスに含まれるタールが析出する、或いはチャーが酸素と触れると燃焼する等の問題があるため、一般的には、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの有機資源及び石炭等を炭化水素系固体燃料として利用し、これを、ガス化炉内において可燃性ガスにガス化した後、未燃残渣分を燃焼炉に導き、酸素や空気などの酸化剤を用いて燃焼ガスとする方法を採用している（特許文献１、２等）。

上記のガス化反応炉は外部循環方式であるが、特許文献３に記載された反応炉のように、内部循環方式のものもあり、該反応炉においては、流動媒体に粒子状スラグを利用することで、ガス化炉内で生成されたガス中に含まれるタールが改質されタール分の少ない可燃ガスが生成されるとともに、劣化したスラグを未燃チャーとともに燃焼炉へ導入し再活性化して、ガス化炉へ戻される。
これらの流動層ガス化炉と流動層燃焼炉を有する循環流動層ガス化システムにおいては、それぞれの炉から、ガス化ガスと燃焼ガスを別々に取り出すことができ、不活性ガスを含まない高カロリーなガスを製造することができる。
しかしながら、特許文献１〜３に記載された発明のように、ガス化炉内で熱分解およびガス化を同時に行うと、チャーのガス化が生じ難くなる。これは、熱分解時に生成するＨ_２ガスがチャー表面に吸着することで、反応速度が低下してしまうことによる。よって、高含有チャー燃料のガス化を行うには、１２００〜１４００℃という高温又は高圧で行う必要があること、８００〜９００℃の低温では高価なニッケル等の触媒を使用せねばならないという問題がある。

また、特許文献４は、原料を流動層炉でガス化し、熱分解又は部分酸化して、生成ガスを得るシステムにおいて、原料から生成するタールを、流動接触分解触媒、流動接触分解平衡触媒、シリカ・アルミナ系粒子、又は油浸造粒法で製造されたアルミナ系粒子を使用して、タールを除去することが記載されている。
しかしながら、特許文献４に記載された方法は、多孔質粒子によりタールを効率良く吸着する方法であるが、流動媒体として従来使用されている硅砂よりも極めて高価であるため、コストがかかってしまう。また、流動層炉では、一定間隔で炉下部から灰を抜き出すが、多孔質粒子と混在するために、多孔質粒子も一緒に抜き出さねばならない。したがって、抜き出した量を炉内へ新たに追加供給せねばならない。よって、石炭のような灰分の多い燃料ほど、よりランニングコストがかかる可能性が高い。

本発明者らは、こうした問題を解決して、チャーを多く含む固体燃料のガス化を低温で促進させることにより、ガス化炉で取り出せる生成ガスを多くし、高効率で可燃ガスを取り出せる方法及びそのためのガス化反応炉を既に提案している。（特許文献５参照）。
この方法は、ガス化炉の前段にアルカリ吸収炉を設け、チャーに揮発ガス中のアルカリを積極的に吸着させてガス化触媒として利用し、ガス化効率を向上させる方法であって、アルカリ吸収炉内でタールをチャーに吸着させてチャーのガス化効率を向上させるとともに、チャーのガス化の阻害効果も避けることができ、さらに、アルカリ吸収炉から生成する熱分解ガスと、ガス化炉から生成するガス化ガスを分離して取り出し、トータルの生成ガス量を高くするメリットがある。

特開２００４−４１８５５号公報 特開２００５−４１９５９号公報 特開２００５−６８２９７号公報 特開２００５−２７２７８２号公報 特開２００８−３０３３７７号公報 特願２００９−１７５２３３号

本発明者らは、前記の循環流動層ガス化反応炉を用いたガス化方法及び装置について更に検討したところ、流動媒体として、アルミナ、石灰石、ゼオライトなどのタール吸着性物質を投入すると、タールを効率良く吸着できるという利点があるが、特に、タール吸着性物質として、多孔質アルミナなどの多孔質粒子を用いた場合、よりタールを効率良く吸着できるものの、流動媒体として従来使用されている硅砂よりも極めて高価であるため、その使用量を可能な限り低減する必要がある。
また、特許文献４と同様に、炉内で多孔質粒子と灰粒子が混在するために、一定間隔で炉下部から灰を抜き出す際に、多孔質粒子も一緒に抜き出されてしまう。
さらに、炉後段のタール処理にかかるコスト（改質炉、スクラバなど）も削減する必要がある。

本発明は、こうした従来技術における課題を解決して、高価な流動媒体を灰粒子と混在することなく、その使用量を可能な限り低減したうえで、タール処理にかかるコストを削減しうるガス化反応炉を提供することを目的として、鋭意研究を重ねた結果、ガス化炉の前段に、タール吸収炉を上段に備えた二段炉構造の燃料熱分解炉を設けるとともに、下段の燃料熱分解炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させることにより解決しうるという知見を得、既に出願している(特許文献６)。

しかしながら、上記提案では、多孔質粒子などのタール吸着性物質を長寿命化できる手法を見出してはいるものの、いかなるタール吸着性物質でも、いずれは性能が劣化するが、それを簡単に廃棄することなく、かつ、簡易な手法により流動層ガス化炉内で有効利用することが望まれる。
すなわち、本発明は、循環流動層ガス化反応炉において、高価な多孔性粒子等からなるタール吸着性物質を可能な限り有効利用するとともに、さらに高効率で可燃ガスを製造できるガス化反応炉を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、上記特許文献６に記載されたガス化反応炉において、タール吸収炉と燃料熱分解炉とを連通路で連結させることにより、タール吸収性の多孔性粒子を可能な限り有効利用できるという知見を得た。

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、
前記流動層ガス化炉の前段に、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構造の熱分解炉を設け、下段の燃料熱分解炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させるようにするとともに、
前記タール吸収炉の側面及び前記燃料熱分解炉の側面を連結する連絡路を設け、燃料熱分解炉から流動媒体を抜き出した際に、上段のタール吸収炉内のタールが吸着した流動媒体を下段の燃料熱分解炉へ供給できるようにしたことを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
［２］前記連結路の中間に粒子捕集箱を設けたことを特徴とする上記［１］の循環流動層ガス化反応炉。
［３］前記連結路が、タールを吸着した流動性媒体でマテリアルシールされていることを特徴とする上記［１］又は［２］の循環流動層ガス化反応炉。
［４］反応後のガス化ガスを分析する手段を設け、ガス化効率の低下からタール吸着性物質の劣化を検知する手段を設けたことを特徴とする上記［１］〜［３］のいずれかの循環流動層ガス化反応炉。
［５］前記タール吸着炉内の流動媒体が、多孔質粒子であることを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれかの循環流動層ガス化反応炉。

本発明の循環流動層ガス化反応炉によれば、流動媒体が劣化してガス化効率が低下した場合、流動媒体を燃料熱分解炉から取り出す際に、上段のタール吸収炉内のタールが吸着した流動媒体を下段の燃料熱分解炉へ供給できるため、多孔性粒子等の、タール吸収性が高いものの、高価である流動媒体を可能な限り有効利用できる。

本発明者らが先に出願した循環流動層ガス化反応炉の一例を模式的に示す図。 本発明の循環流動層ガス化反応炉の一つの実施態様を模式的に示す図。 本発明の循環流動層ガス化反応炉を用いて、タール吸収炉内のタール吸着性物質を燃料熱分解炉へ供給するタイミングの例を示す図。 本発明の循環流動層ガス化反応炉の他の実施態様を模式的に示す図。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
図１は、本発明者らが既に提案している（前記特許文献４参照）、循環流動層ガス化反応炉の１つの実施の形態を模式的に示す図である。

該図に示すガス化反応炉は、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構成の燃料熱分解炉を備え、該燃料熱分解炉の下段の後段には、チャーガス化炉及びチャー残渣燃焼炉をこの順に連結させ、前記上段のタール吸収炉の後段には、コークガス化炉及びコーク残渣燃焼炉をこの順に連結させたものである。そして、前記チャーガス化炉及び前記コークガス化炉は、それぞれを下段及び上段に備えた二段型の流動層ガス化炉とされており、チャー残渣燃焼炉及びコーク残渣燃焼炉は、それぞれ独立した流動層燃焼炉で構成されている。
なお、本発明において、前記の燃料熱分解炉を、前述の特許文献３に記載されたようなアルカリ吸収機能を有する炉とし、チャーに揮発ガス中のアルカリを積極的に吸着させてガス化触媒として利用し、チャーのガス化効率を向上させることができることはいうまでもない。

該図に示す循環流動層ガス化反応炉においては、上段のタール吸収炉から取り出されるタールを吸着した流動媒体は、その後段に連結されたコークガス化炉及びコーク残渣燃焼炉を経てタール吸収炉に戻され、一方、下段の燃料熱分解炉から取り出される流動媒体は、その後段に連結されたチャーガス化炉及びチャー残渣燃焼炉を経て燃料熱分解炉に戻される。

多孔質アルミナなどの多孔質粒子は、原料から生成するタールを効率よく吸収するために好ましく用いられるが、高価であるという欠点を有している。
本発明の循環流動層ガス化反応炉においては、流動層ガス化炉の前段に、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構造の熱分解炉を備えているので、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質粒子等のタール吸着効率の良好なものを使用し、その下段の燃料熱分解炉に導入する流動媒体には、一般的に使用されている安価な硅砂を主成分とするものを使用することにより、高価な流動媒体の使用量を最小限にすることが可能となる。
また、チャー残渣燃焼炉とコーク残渣燃焼炉とが分離しているので、上段のタール吸収炉を循環する多孔質粒子などの流動媒体は、チャー残渣燃焼炉で発生する灰粒子と混在しないようにできる。
また、炉内でタール処理ができるので、従来、炉後段でのタール処理にかかっていたコストを削減できる。

以下、上段のタール吸収炉の流動媒体に、多孔質アルミナのような多孔質粒子を使用し、その下段の燃料熱分解炉の流動媒体に硅砂を使用した例を用いて、原料のガス化について具体的に説明する。
バイオマス、ごみ、下水汚泥、及び石炭などのような炭化水素系固体燃料を、燃料熱分解炉へ供給するとともに、下部より、例えば、生成した燃焼ガスの一部を循環させたＣＯ_２ガス、或いはＮ_２やＡｒのような不活性ガス等を、流動ガスとして導入し、燃料分解炉に供給された上記の炭化水素系固体燃料を熱分解させる。
生成した熱分解ガスと同時に生成するタールが上段のタール吸収炉へ流れる。そのタールは、タール吸収炉中の多孔質粒子に吸着され、一部はガスに改質される。タールを含まない熱分解ガスは、上部に設けられた熱分解ガスの取出し手段から取り出すことができる。
取り出された熱分解ガスは、可燃ガスの一種であって、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに使用される。
なお、本発明においてガス化の原料としては、前述のような炭化水素系固体燃料に限られず、タールの発生し易い液体燃料を用いることも可能である。

下段の燃料熱分解炉では、熱分解後のチャー及び硅砂は、次のチャーガス化炉へ送られる。
一方、上段のタール吸収炉でタールを吸着した多孔質粒子は、チャーガス化炉上段のコークガス化炉へ送られる。

チャーガス化炉及びコークガス化炉は、それぞれの炉を下段及び上段に有する二段の流動層とされており、それぞれの炉内に導入されたチャー及びコークは、下部より導入されたガス化剤とのガス化反応によりガス化される。ガス化剤としては、水蒸気或いは酸素或いは空気などが用いられる。ガス化剤と反応して生成したガス化ガスは、コークガス化炉上部から取り出される。
取り出されたガス化ガスは、可燃ガスであり、燃料電池やガスエンジンによる発電、液体燃料などに利用される。

また、図１に示す装置では、前述のタール吸収炉上部から取り出された熱分解ガスと、コークガス化炉上部から取り出されたガス化ガスを別個に取り出しているが、熱分解ガスとガス化ガスを、それぞれの炉出口以後で合流させてから利用してもよく、熱源として用いる際には、合流前、或いは後に、熱交換器をつけることもできる。

チャーガス化炉内の残渣チャー及びコークガス化炉内の残渣コークは、それぞれ、別個に設けられた、次の残渣チャー燃焼炉及び残渣コーク燃料炉に導入される。
残渣チャー燃焼炉及び残渣コーク燃焼炉は、いずれも流動層とされており、残渣チャー及び残渣コークが完全燃焼可能な滞留時間を確保する。それぞれの燃焼炉では、導入された残渣チャー及び残渣コークを、それぞれの燃焼炉の下部より導入された空気或いは酸素と共に燃焼させ、サイクロンにより燃焼ガスをそれぞれの炉の上部に設けられた取出手段から取り出される。
それぞれの燃焼炉から取り出された燃焼ガスは、主に熱源として利用されるものであり、前述したとおり、その一部を燃料熱分解炉に再循環させることも可能である。また、前記ガス化炉又はそれぞれの燃焼炉に導入する空気や蒸気の予熱源としても利用できる。
一方、チャー残渣燃焼炉で再加熱された硅砂、及びコーク燃焼炉で再加熱された多孔質粒子は、それぞれ、燃料熱分解炉及びタール吸収炉へ戻される。
なお、ガス化炉内で生じる反応（特にシフト反応）には、チャーの濃度が密接に関係しており、熱バランスが成立する範囲内であれば、未燃チャーの一部を再循環させ、ガス化炉内のチャー濃度を反応に適した濃度に制御することで、例えば、ガス化の際のＨ_２／ＣＯ比の制御が可能となり、液体燃料への利用が有利となる。
さらに、残渣チャーおよび残渣コークから得られる燃焼熱のみでは、熱バランスが成立しない場合、所定量の熱分解ガス、ガス化ガスをそれぞれの燃焼炉へ供給して燃焼させることにより、熱バランスを維持することも可能である。

燃料熱分解炉とチャーガス化炉、チャーガス化炉と残渣チャー燃焼炉、タール吸収炉とコークガス化炉、或いは、コークガス化炉と残渣コーク燃焼炉のそれぞれを連結する連通路は、ループシール、Ｌ型バルブ、移動層など、マテリアルシールできれば、いずれの型でも良い。

以上のとおり、図１に示す循環流動層ガス化反応炉においては、下段の燃料熱分解炉に導入される流動媒体及び固体燃料の流れは、燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→燃料熱分解炉となり、一方、上段のタール吸収炉に導入される流動媒体の流れは、タール吸収炉→連通路→コークガス化炉→連通路→コーク残渣燃焼炉→サイクロン（図示せず）→ダウンカマー（図示せず）→タール吸収炉となる。

図１に示した装置によれば、熱分解炉の上下が、燃料熱分解炉とタール吸収炉の二段に分離されているので、多孔質粒子等のタール吸着効率が良好な流動媒体、例えば、多孔質アルミナを、上段のタール吸収炉にのみに供給することにより、その使用量を最小限にすることができるという利点がある。さらに、燃料熱分解炉、チャーガス化炉及び残渣チャー燃焼炉とからなる系と、タール吸収炉、コークガス化炉及び残渣コーク燃焼炉からなる系とで、それぞれ別々に流動媒体を循環させることができるので、多孔質粒子などのタール吸着効率が良好な流動媒体と灰粒子とが混在しないようにすることができる。

図２は、本発明の循環流動層ガス化反応炉の一つの実施形態を模式的に示す図であり、前述のガス化反応炉において、タール吸収炉の側面と燃料熱分解炉の側面とを連通路で連結させることにより、燃料熱分解炉から劣化した流動媒体を取り出した際に、上段のタール吸収炉内の吸着性物質を下段の燃料熱分解炉へ供給できるようにして、タール吸収性の多孔性粒子を可能な限り有効利用するものである。
その連通路内は、タール吸着性粒子によりマテリアルシールされている。なお、連通路内はシールされていれば、いかなる構造でも良い。

タール吸着性物質を燃料熱分解炉へ供給するタイミングは、例えば、図３のようになる。
すなわち、図３に示すように、反応後のガス化ガスを分析し、ガス化効率を算出する。
ガス化効率を算出した結果、ガス化効率が安定していると判断された場合には、前述の図１に示した装置の説明とおりに操作する。
また、ガス化効率を算出した結果、タール吸着性物質の劣化により、ガス化効率が顕著に低下したと判断された場合、まず、燃料熱分解炉の炉下部から流動媒体（一般的には安価な硅砂が用いられる）を、従来法に取より所定量抜き出し、タール吸収炉内のタール吸着性粒子を、燃料熱分解炉へ所定量供給するとともに、タール吸収炉へは新たなタール吸着性粒子を供給する。
各炉の流動状態は圧力により監視する。ガス化効率が安定値に戻り、かつ、流動状態も安定すれば、その条件で運転を継続する。逆に戻らなければ、上述した粒子の供給を繰り返す。

図２に示す循環流動層ガス化反応炉における、固体燃料及び硅砂の流れは、燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー燃料熱分解となる。
また、タール吸着性物質である多孔質粒子の流れは、ガス化効率が安定した状態では、タール吸収炉→連通路→コークガス化炉→連通路→コーク残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→タール吸収炉となるが、ガス化効率が低下した場合には、タール吸収炉→連通路→燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー燃料熱分解となる。

タール吸収炉から燃料熱分解炉の連通路間には、図４のように、粒子捕集箱を設けても良い。
図４に示す循環流動層ガス化反応炉における、固体燃料及び硅砂の流れは、燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→燃料熱分解炉となる。
また、多孔質粒子の流れは、ガス化効率が安定した状態では、タール吸収炉→連通路→コークガス化炉→連通路→コーク残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー→タール吸収炉なるが、ガス化効率が低下した場合には、タール吸収炉→連通路→粒子補集箱→連通路→燃料熱分解炉→連通路→チャーガス化炉→連通路→チャー残渣燃焼炉→サイクロン→ダウンカマー燃料熱分解となる。

本発明の循環流動層ガス化反応炉におけるシステムは、バイオマス、ごみ、下水汚泥などの未利用炭化水素資源の利用に適用する他に、例えば、石炭やバイオマスとのハイブリッドガス化（共ガス化）、或いは、固体燃料と液体燃料とのハイブリッドガス化にも適用することができる。

Claims (5)

1. 流動媒体が導入された流動層ガス化炉内で原料をガス化させ、ガス化時に生成したチャー及び流動媒体を後段の流動層燃焼炉に導入して、未燃分を燃焼させるとともに、再加熱された流動媒体が反応炉内を循環するように構成された循環流動層ガス化反応炉であって、
   前記流動層ガス化炉の前段に、タール吸収炉及び燃料熱分解炉を上下に備えた二段炉構造の熱分解炉を設け、下段の燃料熱分解炉から取り出される未燃焼チャーを含有する流動媒体と、上段のタール吸収炉から取り出されるタールが吸着した流動媒体とを、それぞれ独立して循環させるようにするとともに、
   前記タール吸収炉の側面及び前記燃料熱分解炉の側面を連結する連絡路を設け、燃料熱分解炉から流動媒体を抜き出した際に、上段のタール吸収炉内のタールが吸着した流動媒体を下段の燃料熱分解炉へ供給できるようにしたことを特徴とする循環流動層ガス化反応炉。
2. 前記連結路の中間に粒子捕集箱を設けたことを特徴とする請求項１に記載の循環流動層ガス化反応炉。
3. 前記連結路が、タールを吸着した流動性媒体でマテリアルシールされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の循環流動層ガス化反応炉。
4. 反応後のガス化ガスを分析する手段を設け、ガス化効率の低下からタール吸着性物質の劣化を検知する手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の循環流動層ガス化反応炉。
5. 前記タール吸着炉内の流動媒体が、多孔質粒子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の循環流動層ガス化反応炉。

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